DE10239065A1

DE10239065A1 - Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10239065A1
Application number: DE10239065A
Authority: DE
Inventors: Eduard Unger; Alois Fuerhapter
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2001-08-27
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2003-04-03
Also published as: US20030047148A1; AT5646U1; US6742494B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, welche in zumindest einem ersten Motorbetriebsbereich durch Selbstzündung eines zumindest annähernd homogenen Kraftstoff-Luftgemisches betrieben wird, wobei die Verbrennung gemessen und in Abhängigkeit eines aus dieser Messung gewonnenen Signals zumindest ein Parameter für die Verbrennung für den nächsten Zyklus geregelt wird. Um Kraftstoffverbrauch und Emissionen zu senken und eine direkte Umsetzung der Lastanforderungen zu erreichen, ist vorgesehen, dass die Viertakt-Brennkraftmaschine in zumindest einem zweiten Motorbetriebsbereich durch Fremdzündung eines zumindest annähernd homogenen Kraftstoff-Luftgemisches betrieben wird, und dass sowohl im ersten als auch im zweiten Motorbetriebsbereich die Verbrennung weitgehend unabhängig vom Drehmoment der Brennkraftmaschine geregelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Viertakt-Brennkraftmaschine, welche in zumindest einem ersten Motorbetriebsbereich durch Selbstzündung eines zumindest annähernd homogenen Kraftstoff-Luftgemisches betrieben wird, wobei die Verbrennung gemessen und in Abhängigkeit eines aus dieser Messung gewonnenen Signales zumindest ein Parameter für die Verbrennung für den nächsten Zyklus geregelt wird. Weiters betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Verbrennung eines durch Selbstzündung entflammten mageren Kraftstoff/Luft-Gemisches hat den Vorteil, dass wegen der homogenen Konzentrations- und Temperaturverteilung äußerst niedrige Emissionswerte für NO_x und Ruß erzielt werden. Dieses Verfahren wird im englischen Sprachraum als "HCCI- Verfahren" (Homogenous Charge Compression Jignition) bezeichnet. Der geringe Gehalt an NO_x-Abgas resultiert beim HCCI-Verfahren daher, dass die Verbrennung an einer Vielzahl von Zündorten beginnt, wodurch die Verbrennung mit relativ geringer Verbrennungstemperatur abläuft. Benzin hat für das HCCI-Verfahren wegen seiner sehr niedrigen Selbstzündungswilligkeit und des niedriger liegenden Siedebereiches zwischen etwa 30° und 190° große Vorteile gegenüber Dieselkraftstoff. Das Verdichtungsverhältnis kann hier, ähnlich wie beim Dieselmotor, auf Werte von etwa 15 bis 17 angehoben werden. Da der genaue Zeitpunkt der Entflammung nur bei niedrigem effektivem Mitteldruck in erwünschter Weise kurz vor dem oberen Totpunkt fixiert werden kann, ist allerdings der erreichbare effektive Mitteldruck beim HCCI-Verfahren in nachteiliger Weise auf den Teillastbereich beschränkt, wie aus der Veröffentlichung "An Experimental Study on Premixed-Charge Compression Ignition Gasoline Engine", Taro Aoyama et al., SAE 960081, hervorgeht.

Die DE 199 27 479 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb einer mit Benzin betriebenen Brennkraftmaschine, welches vorsieht, dass die Brennkraftmaschine unterhalb eines vordefinierten Grenzwertes des effektiven Mitteldruckes homogen selbstgezündet und oberhalb des Grenzwertes fremdgezündet betrieben wird. Auf diese Weise lassen sich die Vorteile des HCCI-Verfahren ohne dessen Nachteile nutzen.

Aus der EP 1 085 192 A2 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, welche im mittleren Teillastbereich homogen selbstgezündet und im oberen Teillastbereich, im Volllastbereich, aber auch im untersten Teillastbereich homogen fremdgezündet betrieben wird. Im Bereich des Umschaltens vom fremdgezündeten in den selbstgezündeten Betrieb wird die Menge an rückgeführtem Abgas erhöht, um eine sichere Selbstzündung zu gewährleisten. Umgekehrt wird beim Umschalten vom selbstgezündeten in den fremdgezündeten Betrieb die Menge an rückgeführtem Abgas rechtzeitig reduziert, um Klopferscheinungen zu vermeiden. Die US 6,230,683 B1 beschreibt eine mit homogener Ladung betriebene Dieselbrennkraftmaschine, bei der der Verbrennungsablauf gesteuert wird. Die Steuerung der Verbrennung erfolgt durch Regelung der Temperatur, des Druckes, der Selbstzündungseigenschaften und der Gemischzusammensetzung. Dabei wird während des Einlasstaktes ein gasförmiger erster Kraftstoff und ein zweiter Kraftstoff in den Brennraum, sowie zu Beginn des Kompressionstaktes im Bereich zwischen 180° und 60° vor dem oberen Totpunkt ein Pilot-Kraftstoff in den Brennraum eingebracht. Durch die Menge des Pilot-Kraftstoffes wird der Zündzeitpunkt des ersten und zweiten Kraftstoffes gesteuert.

Aus der WO 99/40296 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Viertakt-Brennkraftmaschine mit homogenen, mageren Grundgemisch aus Luft und Kraftstoff und mit Kompressionszündung bekannt, bei der das im Brennraum gebildete Kraftstoff/Luft-Verhältnis durch ein steuerbares Einlassorgan geregelt wird. Dabei wird eine Messung der jeweiligen Verbrennung durchgeführt und in Abhängigkeit des aus dieser Messung gewonnen Signals der Zeitpunkt des Schließens des Einlassorgans für den nächsten Zyklus geregelt. Die Last des Motors wird durch den Zeitpunkt des Schließens des Auslassorgans und das im Brennraum verbleibende Abgas, sowie die zugeführte Gemischmasse aus Kraftstoff und Frischgas gesteuert. Die Lage und der Verlauf der Verbrennung wird durch Motorparameter, wie den Körperschall am Verbrennungsmotor, den Ionenstrom im Brennraum und die Drehungleichförmigkeit der Kurbelwelle in Echtzeit erfasst.

Im Allgemeinen erfolgen Verbrennungsregelung und Drehmomentenregelung gemeinsam, wodurch Kompromisse eingegangen werden müssen. Dies führt dazu, dass das Potential für Verbrauchs- und Emissionsverbesserungen nicht ausgeschöpft werden kann.

Konventionelle Motorsteuerungen für homogen betriebene Otto-Brennkraftmaschinen (sowohl saugrohreinspritzende Otto-Brennkraftmaschinen, als auch homogen betriebene direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschinen) haben im Wesentlichen die Aufgabe, die drei grundlegenden Parameter Füllung, Einspritzung und Zündung für den jeweiligen Motorbetriebspunkt bereitzustellen. Um diese Aufgabe erfüllen zu können, werden im Allgemeinen 8, 16 oder 32 bit Mikrocontroller verwendet. Diese erfassen mit Hilfe von Sensorsignalen den aktuellen Motorbetriebszustand, sowie die Umweltbedingungen und bestimmen unter Zuhilfenahme von abgestimmten Kennfeldern und Kennlinien die optimalen vorhin erwähnten Parameter. Die Adressierung der Kennfelder erfolgt größtenteils über die beiden grundlegenden Betriebsparameter Motordrehzahl und Motorlast. Die Erfassung der Motordrehzahl erfolgt über die Auswertung des Signals eines Drehzahlsensors, der eine auf der Kurbelwelle angebrachte Triggerscheibe abtastet. Für die Erfassung der Motorlast werden im Allgemeinen grundsätzlich drei verschiedene Verfahren verwendet. Die eine Möglichkeit besteht in der Auswertung des Signals eines zwischen Luftfilter und Drosselklappe positionierten Luftmassenmessers, der somit die Frischluftfüllung des Motors erfasst. Das zweite Verfahren besteht in der Erfassung des Saugrohrunterdrucks im Sammelsaugrohr der Brennkraftmaschine, wobei der Saugrohrdruck ebenfalls ein Maß für die Füllung der Brennkraftmaschine darstellt. Ein weiteres Verfahren besteht in der Möglichkeit, den Massenfluss über die Stellung der Drosselklappenposition zu bestimmen.

Diese Verfahren dienen zur Lasterfassung der Brennkraftmaschine, wobei aber die Druck- und Temperaturverhältnisse im Zylinder nicht berücksichtigt werden können. Gerade diese beiden Parameter sind allerdings von entscheidender Bedeutung, wenn über die Verbrennung oder den Verbrennungsablauf selbst eine Aussage getroffen werden soll.

Ist die Füllung bestimmt, so kann daraus die notwendige einzuspritzende Kraftstoffmasse bestimmt werden, um den Motor beim gewünschten Luft/Kraftstoff- Verhältnis λ betreiben zu können. Abweichungen von diesem gewünschten λ-Wert werden über eine λ-Sonde, die sich im Abgasrohr vor dem Katalysator befindet, erfasst und einem Regelkreis zugeführt, der die Abweichungen vom Soll- λ-Wert korrigiert.

Des weiteren sind aktuelle Motorsteuerungen mit einem Pedalwertgeber, der den Fahrerwunsch ermittelt, und einer elektronischen Drosselklappe, die letztendlich den Luftmassenfluss freigibt, verbunden. Der Durchgriff vom Pedalwertgeber auf die Drosselklappe erfolgt dabei entkoppelt, das heißt, es existiert keine direkte Umsetzung der Pedalwertstellung in eine Soll-Wert-Position der Drosselklappe, sondern die Ansteuerung der Drosselklappe erfolgt über eine Koordination der gesammelten Momentenanforderungen an die Brennkraftmaschine. Dabei wird in diesem Zusammenhang meist ein empirisches Momentenmodell verwendet, welches als primäre Größe das innere Moment der Brennkraftmaschine einbezieht. Bei optimal eingestelltem Zündzeitpunkt stellt die Frischluftfüllung beim homogen betriebenen Otto-Motor ein direktes Maß für das abgegebene Drehmoment dar.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer Viertakt-Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art weiterzuentwickeln, um sowohl im Betriebsbereich mit Selbstzündung als auch im Betriebsbereich mit Fremdzündung bestmögliche Verbrennung mit optimalem Wirkungsgrad und geringst möglichem Kraftstoffverbrauch und Emissionen zu erreichen.

Erfindungsgemäß ist zur Lösung dieser Aufgabenstellung vorgesehen, dass die Viertakt-Brennkraftmaschine in zumindest einem zweiten Motorbetriebsbereich durch Fremdzündung eines zumindest annähernd homogenen Kraftstoff-Luftgemisches betrieben wird, und dass sowohl im ersten als auch im zweiten Motorbetriebsbereich die Verbrennung weitgehend unabhängig vom Drehmoment der Brennkraftmaschine geregelt wird. Die Brennkraftmaschine weist zur Durchführung des Verfahrens eine Steuereinrichtung mit zwei getrennten Regelkreisen auf, nämlich einerseits einen Verbrennungsregler zur Überwachung der homogenen Verbrennung und andererseits einen Drehmomentenregler zur Umsetzung der jeweiligen Drehmomentenanforderung. Dabei ist vorgesehen, dass die Verbrennung im ersten Motorbetriebsbereich durch ein erstes schnelles Stellglied für die Zylinderladung geregelt wird. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass im ersten Motorbetriebsbereich auf Basis der Verbrennungsauswertung die Verbrennung stabilisiert wird, indem als Stellgrößen die Parameter der Gaswechselventile, vorzugsweise auch die Parameter der Einspritzung geregelt werden. Parameter für die Gaswechselventile sind Öffnungs- und Schließzeitpunkte sowie Hub für Einlass und Auslass. Das Drehmoment hingegen wird im ersten Motorbetriebsbereich zumindest durch ein Stellglied für die Kraftstoffmasse geregelt. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn im ersten Motorbetriebsbereich das Drehmoment unter Miteinbeziehung der Verbrennungsauswertung geregelt wird, indem als Stellgröße primär die Kraftstoffmasse, vorzugsweise auch die Parameter der Gaswechselventile verwendet werden.

Für die Regelung im zweiten Motorbetriebsbereich ist vorgesehen, dass das Drehmoment durch ein erstes und/oder zweites langsames Stellglied für die Zylinderladung geregelt wird, wobei das erste schnelle Stellglied vorzugsweise durch zumindest ein Gaswechselventil und das zweite langsame Stellglied vorzugsweise durch eine elektrische Drosselklappe gebildet ist. Das zweite langsame Stellglied ist insbesondere im leerlaufnahen Betrieb von Bedeutung, wenn eine entsprechende Füllungserhöhung über die Ventilsteuerzeiten nicht mehr möglich ist. Im Fremdzündungsbetrieb erfolgt somit die Regelung im leerlaufnahen Bereich über die elektrische Drosselklappe, bei höherer Motordrehzahl im Bereich der oberen Teillast und im Bereich der Volllast hingegen erfolgt die Regelung des Drehmomentes zumindest teilweise über die Öffnung und/oder Schließung zumindest eines Gaswechselventils.

Im Bereich der homogenen Fremdzündung erfolgt die Verbrennungsregelung über Veränderung der Kraftstoffmasse und/oder des Zündzeitpunktes.

Zur Erfassung der Verbrennung ist vorgesehen, dass die Verbrennung durch Auswerten eines Zylinderdrucksignals, eines Ionenstromsignals oder des Signals eines lichtsensitiven Messelementes erfolgt.

Der erste Betriebsbereich ist der unteren Teillast zugeordnet. Der zweite Betriebsbereich ist dagegen der oberen Teillast und der Volllast zugeordnet.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch
Fig. 1 das erfindungsgemäße Motorsteuerungssystem für Fremdzündungs- und Selbstzündungsbetrieb,
Fig. 2 die Momentenkoordination und Aufteilung in die unterschiedlichen Betriebsarten,
Fig. 3 ein Motorkennfeld mit den unterschiedlichen Betriebsbereichen,
Fig. 4 die Drehmomentenumsetzung und Verbrennungsregelung im homogenen Fremdzündungsbetrieb,
Fig. 5 die Drehmomentenumsetzung und Verbrennungsregelung im homogenen Selbstzündungsbetrieb,
Fig. 6 ein Blockdiagramm über die Momentenkoordination,
Fig. 7 ein Blockdiagramm über die Verbrennungs- und Lastregelung im Selbstzündungsbetrieb,
Fig. 8 die Abhängigkeit der Verbrennungslage von der Ansauglufttemperatur,
Fig. 9 bis 12 die Abhängigkeit der Verbrennungslage von Ventilsteuerungsparametern,
Fig. 13 den Zusammenhang zwischen Abgaslambdawert und der Verbrennungslage und
Fig. 14 ein Blockdiagramm über die Verbrennungs- und Lastregelung im Fremdzündungsbetrieb.
Das Motorsteuerungssystem 1 (Fig. 1) liest alle relevanten Sensorsignale 2 der Brennkraftmaschine 3, wie Motordrehzahl n, Phasensynchronisationssignal, Ansauglufttemperatur, Luftmassenstrom, Drosselklappenposition, Saugrohrunterdruck und der λ-Wert des Abgases ein und bildet alle Steuersignale 4, die für einen Motorbetrieb notwendig sind. Die wesentlichen Steuersignale 4 sind dabei die Einspritzmenge, der Einspritzzeitpunkt, die Einspritzdauer, die Betätigung der Gaswechselventile, also Öffnungs- und Schließzeitpunkt sowie Hubhöhe der Einlass- und/oder Auslassventile, der Zündzeitpunkt und die Drosselklappenansteuerung. In einer erweiterten Ausführung kann außerdem noch ein externes Abgasrückführventil, eine Ansaugluftvorwärmung, eine Abgasstauklappe, sowie eine Ansteuerung eines Kompressors oder eines Abgasturboladers enthalten sein, wie durch Bezugszeichen 5 angedeutet ist. Zusätzlich liest das Motorsteuerungssystem 1 von einer eigenen Recheneinheit 6 in jedem Arbeitstakt die relevanten Verbrennungskenngrößen der letzten Verbrennung oder der letzten Verbrennungen ein. Die Recheneinheit 6 wertet ein Verbrennungssignal 7, wie beispielsweise ein Zylinderdrucksignal p_i, in Echtzeit aus. Anstelle des Zylinderdrucksignals kann auch ein Ionenstromsignal oder ein lichtsensitives Messelement Verwendung finden.
Um den Motorlauf oder die Motorbetriebsart beeinflussen zu können, werden in einer übergeordneten Funktion alle Lastanforderungen 8, wie Fahrerwunsch 9, Leerlaufbedingungen 10, Startanforderungen 11, etc. an die Brennkraftmaschine 3 gesammelt, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Diese gesammelten Lastanforderungen 8 werden an eine Auswahleinheit 12 weitergegeben, welche die Auswahl zwischen dem fremdgezündeten Homogen-Betrieb (SI-Betrieb) und dem selbstgezündeten Homogen-Betrieb (HCCI-Betrieb) durchführt. Das primäre Entscheidungskriterium ist die Lastanforderung 8 an die Brennkraftmaschine 3, da der Selbstzündungsmodus HCCI nur in einem eingeschränkten Drehzahl/Last-Bereich Verwendung findet, wie aus dem in Fig. 3 dargestellten Motorkennfeld hervorgeht. Die Betriebsart-Schaltlogik ist in Fig. 2 mit Bezugszeichen 13 angedeutet. Neben den Lastanforderungen 8 können für die Wahl der Betriebsart aber auch andere Randbedingungen, wie z. B. zu geringe Motortemperatur und zu geringe Ansauglufttemperatur oder zu geringe Abgastemperatur etc. herangezogen werden. Als Ergebnis bildet die Auswahleinheit 12 eine Statusinformation SI oder HCCI, die in allen weiteren Unterfunktionen verwendet wird. Je nach ausgewählter Betriebsart erfolgt anschließend die Drehmomentenumsetzung über die Zylinderladung, die Kraftstoffmasse und den Zündungszeitpunkt (vornehmlich im Homogen-Betrieb).
In dem in Fig. 3 gezeigten Motorkennfeld ist der indizierte Zylinderdruck p_i über der Motordrehzahl n dargestellt. Wie ersichtlich, wird die Brennkraftmaschine 3 im unteren Teillastbetrieb homogen selbstgezündet (Bereich HCCI) und im oberen Teillastbereich, sowie im Volllastbereich homogen fremdgezündet (Bereich SI) betrieben. Die Linien G₂, G₃, G₄ und G₅ zeigen die verschiedenen Getriebeübersetzungen an. Im Bereich HCCI wird die Brennkraftmaschine mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis λ ≥ 1, im Bereich SI mit einem λ ≤ 1 betrieben.
Die Drehmomentenumsetzung 14 der Lastanforderungen 8 erfolgt durch Veränderung der Zylinderladung 15, der Kraftstoffmasse 16 und/oder der Veränderung der Zündung 17.
In Fig. 4 ist die Drehmomentenumsetzung 14 und die Verbrennungsregelung 15 im fremdgezündeten Homogen-Betrieb SI dargestellt. Die gesammelte Lastanforderung 8 wird zunächst einem Drehmoment/Zylinderladungs-Umsetzer 14a der Drehmomentenumsetzung 14 zugeführt, der im einfachsten Fall ein Kennfeld sein kann. Dieses Kennfeld enthüllt beispielsweise in Abhängigkeit von der Motordrehzahl n und der jeweiligen Lastanforderung 8 eine Luftmasse, die notwendig ist, um beim gewünschten stöchiometrischen Verhältnis ein entsprechendes Drehmoment realisieren zu können. Diese Luftmassenanforderung 15a wird anschließend beiden Steuerungsblöcken 18a und 19a für ein erstes schnelles Stellglied 18 und ein zweites langsames Stellglied 19 zugeführt, wobei der Steuerungsblock 19a den Füllungspfad über die Drosselung mittels elektrischer Drosselklappe darstellt. Dieser Pfad steuert in weiterer Folge über die gewünschte Drosselanforderung 19b die das zweite langsame Stellglied 19 bildende Drosselklappe an. Der Steuerungsblock 18a stellt hingegen die schnelle Ladungsdosierung 18b über das zweite schnelle Stellglied 18 bildende Gaswechselventil dar. Die Steuerung über das zweite langsame Stellglied 19 ist besonders im leerlaufnahen Betrieb von Interesse, wenn eine entsprechende Füllungsdosierung über die Ventilsteuerzeiten nicht mehr möglich ist. Stimmt nun die Lastanforderung 8 nicht mit dem erzeugten Drehmoment überein, kann mittels des Drehmomentenreglers 20 die Zylinderladung so nachgeregelt werden, dass die Regelabweichung gegen Null geht. Mittels der Recheneinheit 21 erfolgt die Dosierung und Vorsteuerung der Kraftstoffmasse 16 und die Vorsteuerung der Zündung 17 in Abhängigkeit der abhängigen Motordrehzahl n und der aktuellen Füllung 15b.
Das Gemisch kann in weiterer Folge noch über eine stetige λ-Regelung in Verbindung mit einer Breitband-Lambda-Sonde auf den gewünschten Wert eingeregelt werden. Die Zündung kann zusätzlich über den homogenen Verbrennungsregler 22 nachgestellt werden, der auf Basis der Regelabweichung von aktueller Verbrennungslage 22a (z. B. bei 50% Massenumsatz) und Referenzverbrennungslage 22b arbeitet. Somit ist es möglich, die Verbrennung immer auf das thermodynamische Optimum hinzustellen und somit auch den Wirkungsgrad im homogenen Fremdzündungsbetrieb SI zu verbessern.
In Fig. 5 ist die Drehmomentenumsetzung 14 und die Verbrennungsregelung 22 für den homogenen Selbstzündungsbetrieb HCCI dargestellt. In ähnlicher Weise wie beim homogenen Fremdzündungsbetrieb SI gibt es auch hier einen Drehmomenten/Zylinderladungs-Umsetzer 14a, der hier ähnlich konzipiert sein kann, wie für den homogenen Fremdzündungsbetrieb SI. Im einfachsten Fall können hier aus Kennfeldern in Abhängigkeit von der Motordrehzahl n und dem Wunschdrehmoment eine gewünschte Frischluftmasse und eine gewünschte rückzuführende Abgasmasse für den jeweiligen Betriebspunkt ausgelesen werden. Diese Wunschzylinderfüllung rcdem, nämlich die Zusammensetzung aus Frischluftmasse und Abgasmasse, wird anschließend an den Steuerblock 18a des ersten schnellen Stellgliedes 18 übergeben, der die Umsetzung dieser gewünschten Zylinderladung realisiert. Das erste schnelle Stellglied 18 wird durch Gaswechselventile gebildet. Dabei ist es notwendig, über ein Füllungsmodell die gewünschten Steuerparameter, wie Öffnungszeitpunkt und Öffnungsdauer für die Gaswechselventile zu ermitteln. In ähnlicher Weise wie für den Luftpfad gibt es auch auf der Kraftstoffseite einen Drehmomenten/Kraftstoffmasse-Umsetzer 14b. Hier kann im einfachsten Fall über ein Kennfeld einem gewünschten Drehzahl- /Lastpunkt eine Kraftstoffmasse 16 zugeordnet werden. In ähnlicher Weise wie beim homogenen Fremdzündungsbetrieb SI gibt es auch hier einen Drehmomentenregler 20, der hier aber auf die Kraftstoffmasse 16 eingreift, da im Selbstzündungsbetrieb HCCI die Kraftstoffmasse 16 der entscheidende Einflussparameter für das erzeugte Drehmoment ist. Sehr wichtig beim Selbstzündungsprozess HCCI ist der Verbrennungsregler 22, der eine stabile Verbrennung speziell bei Einfluss von Störgrößen ermöglicht. Der Verbrennungsregler 22, welcher die aktuelle Verbrennungslage 22a mit einer Referenzverbrennungslage 22b vergleicht, kann als Eingrößenregler ausgeführt werden, indem er nur auf einen Parameter der Ventilsteuerung eingreift, oder aber auch als Mehrgrößenregler, indem er mehrere Stellgrößen des Ventiltriebes gleichzeitig verstellt und somit die Ladungszusammensetzung für die folgenden Arbeitszyklen verändert.
Eine vereinfachte konkrete Ausführungsform der HCCI-Motorsteuerungsstrategie ist in den Fig. 6 bis 14 dargestellt. Die Momentenkoordination, Fig. 6, besteht aus drei Modulen. Der Fahrerwunsch wird über die Pedalstellung des Fahrpedalmoduls eingelesen und einem Kennfeld KFPIDEM zugeführt, welches über der Motordrehzahl n und der Pedalposition pedpos adressiert ist. Dieses Kennfeld KFPIDEM enthält für jeden Betriebspunkt ein Wunschmoment pidemdriv, das in der Folge noch um die Drehmomentenanforderung der Leerlaufregelung pidemidle, das Startmoment pidemstart, und eventuelle zusätzliche Anforderungen adem etc. ergänzt wird. Die Summe dieser Momentenanforderungen pidem wird einem weiteren Kennfeld, dem Betriebsartenwunschkennfeld KFENGMODE zugeführt, welches für den Stationärbetrieb den gewünschten Betriebsmode enthält, der im jeweiligen Betriebspunkt gefahren werden soll. Am Ausgang erhält man somit die Statusinformation B HCCI, die den HCCI-Betrieb bzw. den SI-Betrieb anfordert.
Für eine HCCI-Anforderung wird mittels Fig. 7 erläutert, wie die Parameter für die Einspritzung und die Luftsteuerung einfach ermittelt werden können. Aus einer Rastervermessung am Stationärprüfstand ergeben sich die Grundkennfelder für die Kraftstoffmasse KFPIRF, die Frischluftmasse KFINVALOPEN, KFINVALHOLD und die rückzuführende Abgasmasse KFEXVALOPEN, KFEXVALHOLD. Mit diesen Vorsteuerwerten ist es unter reinen Stationärbedingungen ohne Einwirkung von externen Störgrößen möglich, den Motor in einem Betriebspunkt zu betreiben. Nachdem der Verbrennungsprozess aber sehr sensitiv auf Lastpunktwechsel, Ansauglufttemperatur, Abgastemperatur etc. reagiert, ist es notwendig, den Verbrennungsprozess zu stabilisieren. In Fig. 8 ist beispielhaft die Abhängigkeit der Verbrennungslage MFB 50%, also des 50% Massendurchsatzpunktes, in Grad Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt der Zündung von der Ansauglufttemperatur TL für einen konstanten Betriebspunkt dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass durch Erhöhung der Ansauglufttemperatur TL die Verbrennungslage MFB 50% entscheidend beeinflusst werden kann. Dieser Effekt kann einerseits in einer erweiterten Vorsteuerung kompensiert werden, die letzten Abweichungen müssen aber auch in diesem Fall vom Verbrennungsregler 22 ausgeregelt werden. Die Beeinflussung der Verbrennung gelingt über Änderung der Zylinderladungszusammensetzung mittels Veränderung der Ventilsteuerungsparameter. Die Abhängigkeit der Verbrennungslage MFB 50% von den Ventilsteuerungsparametern Einlassventilöffnungswinkel invalveopen; Einlassventilöffnungsdauerwinkel invalvehold, Auslassventilöffnungswinkel exvalveopen und Auslassventilöffnungsdauerwinkel exvalvehold sind beispielhaft in den Fig. 9 bis 12 zusammengestellt. Um über die Lage der Verbrennung eine Information zu haben, wird in einer eigenen Echtzeitrecheneinheit der 50%-Massenumsatzpunkt bestimmt und mit einer Referenzlage verglichen. Die Abweichung der Istverbrennungslage MFB50act von der Referenzverbrennungslage MFB50dem bildet die Regelabweichung für den Verbrennungsregler 22, der direkt auf die Ventilsteuerungsparameter eingreift. Nachdem auch die Abgaszusammensetzung, die in Form des gemessenen Lambdawertes λact zur Verfügung steht, einen entscheidenden Einfluss auf die Verbrennung hat, ist im Verbrennungsregler 22 auch ein Lambdaregler 23 integriert, der über Verstellung der Frischluftmasse dafür sorgt, dass das Abgaslambda den gewünschten Abgaslambdasollwert λ dem nicht verlässt. Der Zusammenhang zwischen dem Abgaslambda λ_A und der Verbrennungslage ist beispielhaft in Fig. 13 dargestellt. Besonders von Bedeutung ist die Tatsache, dass sich das Vorzeichen der Steigung der Verbrennungslage ändert, wenn ein Lambdawert in der Größenordnung 1,2-1 unterschritten wird. Bei der Lambdaregelung im HCCI-Betrieb wird im Gegensatz zum SI-Betrieb als Stellgröße der schnelle Luftpfad und nicht die Kraftstoffmasse verwendet.
Zur Bestimmung der notwendigen Kraftstoffmasse 16 wird über das Kennfeld KFPIRF jedem Lastpunkt eine Kraftstoffsollmasse rfhccibase zugeordnet, die mittels Injektorkonstante und Raildruckkorrektur im Schritt rf → ti in eine Einspritzzeit tihcci umgerechnet wird, die als Stellgröße an das Einspritzventil ausgegeben wird. Um Abweichungen vom Solldrehmoment pidem ausgleichen zu können, arbeitet ein Drehmomentenregler 20 multiplikativ über die Beeinflussung der Kraftstoffmasse 16. Als Regelabweichung wird die Differenz des gemittelten indizierten Mitteldrucks piact, der aus einer eigenen Recheneinheit kommt, vom Sollwert pidem verwendet. Die geregelte Kraftstoffsollmasse ist mit rfhcci bezeichnet. In der beschriebenen Ausführungsform ist die Drosselklappe im HCCI-Betrieb immer vollständig geöffnet, die Drosselung der Frischluft erfolgt nur über das Einlassventil. Bei einer geänderten Ausführung kann man sich aber durchaus vorstellen, die Frischluftdosierung auch im HCCI-Betrieb mit der Drosselklappe zu steuern.
Im Falle einer Anforderung für den homogenen Fremdzündungsbetrieb SI, Fig. 14, wird über das Kennfeld KFRCDEM jedem Betriebspunkt eine Sollluftmasse rcdem zugeordnet, die dem Wunschdrehmoment pidem proportional ist. Diese Wunschfüllung rcdem wird über den Drehmomentenregler 20 in eine Wunschfüllung rcdemcor korrigiert, sodass sich das gewünschte Motordrehmoment einstellt. Die Umsetzung der Sollfüllung in die Ventilbetätigungsparameter kann mittels eines Füllungsmodells des Steuerblockes 18a für den variablen Ventiltrieb realisiert werden, in dem der Zusammenhang zwischen Öffnungsdauer, Öffnungszeitpunkt, Motordrehzahl n und durchgesetzter Luftmasse abgelegt ist. Der langsame Luftpfad des Steuerblockes 19a über die Drosselklappe kann mit Hilfe strömungsdynamischer Grundgleichungen berechnet werden, wobei dieser Pfad hauptsächlich bei sehr geringen Luftmassen verwendet wird, da aufgrund der geringen Luftmasse und damit verbunden sehr kleinen Öffnungsdauern der Gaswechselventile mit Problemen in der Luftzumessung zu rechnen ist. Die Kraftstoffzumessung rfbase im homogenen Fremdzündungsbetrieb SI erfolgt konventionell, indem die Frischluftmasse rcact bestimmt wird und über das stöchiometrische Verhältnis die notwendige Kraftstoffmasse 16 berechnet wird. Eine Abweichung vom Solllambawert λact wird durch den Lambdaregler 23 ausgeglichen. Der λ-geregelte Sollwert der Kraftstoffzumessung ist mit rfham bezeichnet. Im Schritt rf → ti wird die Kraftstoffmasse in eine Einspritzzeit ti umgerechnet. Die Verbrennungslage MFB 50% wird über ein Zündwinkelkennfeld IGNITION in Abhängigkeit der Motordrehzahl n und der Frischluftmasse rcact vorgesteuert. Die Verbrennungsregelung selbst arbeitet auch hier mit der Regelabweichung des 50%Massenumsatzpunktes MFB 50%, wobei in diesem Betriebsmodus als Stellgröße der Zündwinkel ignangle verwendet wird.
Sowohl im homogenen Fremdzündungsbetrieb SI, als auch im homogenen Selbstzündungsbetrieb HCCI erfolgt die Regelung der Verbrennung weitgehend unabhängig von der Regelung der Drehmomentenanforderung, wodurch eine stabile und optimale Verbrennung mit geringst möglichen Emissionen und bestmöglicher Umsetzung der Drehmomentenanforderungen erreicht werden kann.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Viertakt-Brennkraftmaschine, welche in zumindest einem ersten Motorbetriebsbereich durch Selbstzündung eines zumindest annähernd homogenen Kraftstoff-Luftgemisches betrieben wird, wobei die Verbrennung gemessen und in Abhängigkeit eines aus dieser Messung gewonnenen Signals zumindest ein Parameter für die Verbrennung für den nächsten Zyklus geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine in zumindest einem zweiten Motorbetriebsbereich durch Fremdzündung eines zumindest annähernd homogenen Kraftstoff-Luftgemisches betrieben wird, und dass sowohl im ersten als auch im zweiten Motorbetriebsbereich die Verbrennung weitgehend unabhängig vom Drehmoment der Brennkraftmaschine geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung im ersten Motorbetriebsbereich durch ein erstes schnelles Stellglied für die Zylinderladung geregelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Motorbetriebsbereich auf Basis der Verbrennungsauswertung die Verbrennung stabilisiert wird, indem als Stellgrößen die Parameter der Gaswechselventile, vorzugsweise auch die Parameter der Einspritzung geregelt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment im ersten Motorbetriebsbereich zumindest durch ein Stellglied für die Kraftstoffmasse geregelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Motorbetriebsbereich das Drehmoment unter Miteinbeziehung der Verbrennungsauswertung geregelt wird, indem als Stellgröße primär die Kraftstoffmasse, vorzugsweise auch die Parameter der Gaswechselventile verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung im zweiten Motorbetriebsbereich zumindest durch das Stellglied für die Kraftstoffmasse geregelt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung im zweiten Motorbetriebsbereich zumindest durch ein Stellglied für den Zündzeitpunkt geregelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment im zweiten Motorbetriebsbereich zumindest durch ein erstes schnelles und/oder ein zweites langsames Stellglied für die Zylinderladung geregelt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes schnelles Stellglied zumindest ein variabel betätigbares Gaswechselventil verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das als zweites langsames Stellglied eine elektrische Drosselklappe verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsmessung durch Auswerten eines Zylinderdrucksignals, eines Ionenstromsignals oder des Signals eines lichtsensitiven Messelementes erfolgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Betriebsbereich dem unteren Teillastbereich zugeordnet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Betriebsbereich dem oberen Teillastbereich und dem Volllastbereich zugeordnet wird.

14. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 mit einem Motorsteuerungssystem (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Motorsteuerungssystem (1) eine Auswahleinheit (12) zur Auswahl zwischen homogenem Fremdzündungsbetrieb und homogenem Selbstzündungsbetrieb, einen Drehmomentenregler (20) zur Umsetzung der jeweiligen Drehmomentenanforderung und einen Verbrennungsregler (22) zur Überwachung der homogenen Verbrennung aufweist, wobei Drehmomentenregelung und Verbrennungsregelung weitgehend unabhängig voneinander erfolgen.